液粘離合器帶排扭矩影響因素的試驗研究

吳 超，郭劉洋

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

液粘離合器是車輛綜合傳動裝置的一個重要元件，它控制風扇的轉速并傳遞動力.液粘離合器的工作原理是利用摩擦副間的油膜剪切力來傳遞扭矩.對風扇轉速的調節(jié)，是從結構上實現的，即:通過控制離合器油缸的工作油壓來改變離合器摩擦副的結合程度，從而控制摩擦片與對偶片的速差來改變輸出軸的轉速，最終達到對風扇轉速進行調節(jié)的目的.

液粘離合器摩擦副間油膜剪切作用產生的摩擦功損耗將以熱量的形式被潤滑油帶走，因此，液粘離合器剛開始工作時，應先通入潤滑油.當液粘離合器控制壓力為零時，摩擦副處于分離狀態(tài)，摩擦副之間的間隙最大，間隙中充滿的潤滑油最多、粘性也最大，那么，當摩擦片旋轉時，就難以保證對偶片絕對靜止，對偶片也會被帶動旋轉，此時將作用在對偶片上的扭矩稱為帶排扭矩.但是帶排扭矩的存在帶來2個不利影響:1)將造成發(fā)動機功率的損失;2)影響風扇傳動轉速的控制.因此，對液粘離合器的帶排扭矩進行研究，是為了最大限度地減少功率損失，同時使得風扇在低溫環(huán)境下的帶排轉速降至最低，并使風扇轉速控制在一定范圍內，這對于風扇傳動來說至關重要.

1 帶排扭矩的計算原理

液粘離合器的摩擦副可以簡化成2個相對旋轉運動的圓板，如圖1所示.根據牛頓內摩擦定律，可以推導出液粘離合器摩擦副間最小帶排扭矩的計算公式[1].

圖1 帶排扭矩推導原理圖

在圓環(huán)油膜半徑r處取一微小圓環(huán)面dA=2πrdr，其油膜剪切應力τ= μ(ω1－ω2)r/h，剪切力dF=τdA，傳遞的扭矩，即帶排扭矩dT=rdF，則有

對式(1)進行積分可得所有摩擦面之間的帶排扭矩:

式中:z為摩擦副對數;μ為油液的動力粘度，Pa·s;R1為摩擦片內半徑，m;R2為摩擦片外半徑，m;Δω為摩擦片與對偶片的角速度差，rad/s;h為摩擦片間隙，m.

從式(2)可見，液粘離合器的帶排扭矩與油液的動力粘度、主動摩擦片的轉速(車速)成正比，與摩擦片間隙即油膜厚度成反比.

2 帶排扭矩的理論計算值

根據式(2)對液粘離合器的帶排扭矩進行計算.

為了與試驗狀態(tài)進行對比，計算時選擇入口油溫為40℃，摩擦副對數為24.若假設對偶片轉速為0，則 Δω =2πn/60 = πn/30.在轉速 500 r/min和4 500 r/min之間取7個點，其理論扭矩的計算結果如表1所示.

表1 帶排扭矩的理論計算值

3 液粘離合器帶排扭矩的試驗研究

為了研究液粘離合器帶排扭矩的影響因素，對其進行了臺架性能試驗.

3.1 試驗裝置

液粘離合器的試驗臺布置如圖2所示，試驗時鎖死離合器輸出端使液粘離合器輸出轉速始終為零，同時關閉控制閥以保證離合器處于分離狀態(tài).通過電機改變輸入轉速，每個轉速點穩(wěn)定旋轉2 min，分別記錄各點的輸入轉速、輸入扭矩、輸出扭矩、潤滑壓力、出入口油溫、摩擦片出口油溫等數據.

圖2 試驗裝置示意圖

3.2 液壓系統

圖3為液粘離合器的液壓系統示意圖.控制油從一個小流量泵出來后進入控制閥組，根據電控信號調節(jié)輸出壓力，實現離合器的結合與分離.由大流量泵流出的潤滑油進入離合器摩擦副平衡功耗.通過試驗裝置實現回油.

圖3 液壓系統示意圖

3.3 試驗內容和結果分析

3.3.1 轉速對帶排扭矩的影響

對液粘離合器進行試驗，試驗轉速點分別為500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、4 500 r/min，潤滑油液為15W/40CD，入口油溫在30～40℃之間，液壓系統要保證足夠潤滑油流量，其潤滑壓力模擬實際使用工況，最終試驗結果如表2所示.

表2 試驗結果

將試驗值與理論值進行對比，由圖4可見，理論計算結果與試驗值基本吻合，變化趨勢相一致.對比兩條曲線，在低轉速時試驗值略微偏大，究其原因，主要有2點:1)低速時油溫較低，油液的粘度偏大;2)低速時各摩擦副間的分離間隙不均勻.當轉速逐漸升高后，以上兩方面影響因素減弱，試驗值與理論值逐漸接近.

圖4 液粘離合器帶排試驗值與理論值對比曲線

3.3.2 油溫對帶排扭矩的影響

根據流體力學理論，油液的粘度對溫度的變化十分敏感，溫度升高，粘度下降.由于帶排扭矩與油液動力粘度成正比，致使油溫對帶排扭矩有很大影響，所以對此進行了試驗驗證.

對液粘離合器在2 000 r/min時進行試驗，潤滑入口油溫分別為30℃、40℃、50℃、60℃，試驗結果如圖5所示.可見，隨著油溫的升高，帶排扭矩逐漸下降，試驗結果驗證了理論分析的正確性.

圖5 液粘離合器不同入口油溫下帶排扭矩試驗值曲線

3.3.3 摩擦副間隙對帶排扭矩的影響

為了進一步降低摩擦副的帶排扭矩，對摩擦副一側的壓盤進行了修改設計，使其減薄1 mm，這樣便相應增大了摩擦副間隙1 mm，再次進行了試驗，并與修改前進行了對比，結果如圖6所示.試驗結果表明:增大間隙后，帶排扭矩減小，最大帶排扭矩已經小于30 Nm.可見，通過適當調整摩擦副間隙可以合理控制帶排扭矩使其滿足使用要求.

圖6 摩擦副不同間隙時帶排試驗值對比曲線

4 結論

通過對液粘離合器帶排扭矩的理論分析和試驗研究，得出以下結論:

1)帶排扭矩的理論數據與試驗結果的變化趨勢基本一致，在高轉速時試驗數據與理論值更加接近;

2)油液的粘溫特性對帶排扭矩影響很大，隨著油溫升高，粘度下降，帶排扭矩隨之減小;

3)合理調整摩擦副的分離間隙，可以控制帶排扭矩的大小，間隙增大，帶排扭矩減小.因此，在滿足使用要求的前提下應通過適當增加摩擦副間隙以減小帶排扭矩，防止功率損失增加.

[1]姜劍勇.液體粘性調速離合器試驗系統的研制[D].杭州:浙江大學，2006.